Kuantum Biti Anlamak – Teleportasyon ve Kontrollü Etkileşim Atılımları

Kuantum bilişim dünyasında çok şey oluyor. Çip devi Nvidia (NVDA ), kuantum bilişim çabalarını hızlandırmak için açık kaynaklı CUDA-Q platformunu başlattı, Çin ise en büyük kuantum bilişim çipini yarattı. Ardından Manchester Üniversitesi’nden bilim insanları, bir sonraki nesil bilgisayarlara zemin hazırlayan ultra saf silikon geliştirdi.

Kuantum bilgisayarlarla ilgili tüm bu heyecan ve gelişmeler mantıklı, çünkü teknoloji kriptografi, ilaç keşfi, karmaşık optimizasyon problemlerinin çözümü, makine öğrenimi algoritmalarının geliştirilmesi ve daha birçok alanda muazzam bir potansiyele sahip.

Kuantum bilgisayarlar, maddenin ve enerjinin atomik ve daha da küçük altatomik seviyelerdeki davranışı ve doğasını açıklayan kuantum teorisinden yararlanarak tüm bunları başarabilir. Kuantum bilişim, fotonlar ve elektronik gibi altatomik parçacıkları kullanır. Kubitler (kuantum bitleri) ise bu parçacıkların aynı anda birden fazla durumda bulunmasını sağlar ve kontrol cihazları tarafından manipüle edilir.

Geleneksel bilgisayarınızdan katlanarak daha hızlı çalışırken daha az enerji tüketmek için kuantum bilgisayarlar süperpozisyon ve dolanıklık kullanır.

Süperpozisyon, iki ya da daha fazla kuantum durumunun eklenerek yeni bir geçerli kuantum durumu oluşturulmasıdır. Kubitlerin süperpozisyonu, kuantum bilgisayarların milyonlarca işlemi aynı anda gerçekleştirmesini sağlar.

Dolanıklık, iki sistem birbirine bağlandığında birinin durumunu bilmenin diğerinin durumunu anında ortaya çıkarmasıyla oluşur. Bu, kuantum bilgisayarların karmaşık problemleri hızlı bir şekilde çözmesini sağlar.

Buradaki sorun, radyasyon, titreşim ya da sıcaklık değişikliği gibi faktörlerden dolayı bir kubitteki kuantum durumunun kaybolması olan decoherence (çözülme)dir. Bu, hesaplamalarda hatalara yol açar. Kuantum bitlerini (Qubit) parazitten korumak için vakum odalarına, yalıtıma ve süper soğutmalı buzdolaplarına yerleştirirler.

Gördüğümüz gibi, kuantum bilişimin gerçekleşmesinde kubitler kritik bir rol oynar, ancak onlar hakkında her şey bilinmemektedir. Bununla birlikte, iki yakın tarihli bağımsız deney, kubitlere dair anlayışımızı genişleterek işlevsel bir kuantum bilgisayar inşa etme yolunda önemli bir adım işaret etti.

Kuantum Teleportasyonu Başarıyla Gerçekleştirildi

Yeni araştırma, genellikle kuantum durumunun aktarımını bozan tüm gürültülere rağmen kuantum teleportasyonunu başarıyla gerçekleştirdi. Teleportasyonda, bir kubit parçacığı kendisini göndermeden bir konumdan diğerine aktarılır.

Teoride, kuantum durumunun aktarımı sorunsuz bir şekilde yapılabilir, ancak gerçek dünyada kesintiler ve gürültüler kuantum teleportasyonunun kalitesini düşürür. Bu nedenle, en son çalışmadaki araştırmacılar, gürültüye rağmen kusursuz kuantum teleportasyonu elde etmenin büyük bir başarı olduğunu buldular.

Science Advances dergisinde yayınlanan study çalışması, dolanıklık ve decoherence’ın (çözülme) birçok kuantum protokolü ve teknolojisinin karşıt güçleri olduğunu anlatıyor.

Araştırmaya göre, keyfi uzun mesafelerdeki korelasyonlarda ortaya çıkan kuantum dolanıklığı, kuantum mekaniğinin temelleri için çok önemlidir. Bilgi işleme ve iletişimde birçok uygulaması vardır. Ancak, bir kuantum sisteminin çevresiyle etkileşimleri kaçınılmazdır ve decoherence, bu uygulamaların performansını ciddi şekilde düşürebilir.

Son çalışmaların decoherence‑free alt alanları, dinamik ayrıştırma, kuantum hata düzeltme kodları, gecikmeli koherent kuantum geri besleme ve yardımcı alt sistemlerle rezervuar mühendisliği gibi yöntemleri kullandığı birçok umut verici decoherence bastırma protokolü bulunmasına rağmen, decoherence’den kaçınmak pratikte son derece zordur.

Bu bağlamda, çalışma mutlak decoherence altında kuantum teleportasyonu için verimli bir protokol önerdi.

Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (Hefei) ve Finlandiya Turku Üniversitesi araştırmacıları tarafından yürütülen çalışma, yardımcı kubitler ile yerel ortamları arasındaki çok parçacıklı hibrit dolanıklığı açık‑kuantum sistem bağlamında kullanarak yüksek doğruluk elde etti.

Araştırmacılara göre, lineer optik, çeşitli kuantum bilgi protokollerini yürütmek ve decoherence sorunlarını incelemek için özellikle sağlam bir platformdur.

Bu çalışmadaki iş, Turku Üniversitesi’nden Profesör Jyrki Piilo’ya göre, dağıtılmış dolanıklık kavramını kullanıyor. Bu dolanıklık dağıtımı, kullanılan kubitlerin ötesine geçiyor ve protokol çalıştırılmadan önce gerçekleştiriliyor. Bu, \”farklı fiziksel serbestlik dereceleri arasındaki hibrit dolanıklığın kullanılmasını\” ifade ediyor, dedi Piilo.

Geleneksel olarak, foton polarizasyonu teleportasyonda kubitleri dolanık hale getirmek için kullanılmıştır. Ancak yeni yaklaşım, foton polarizasyonu ile frekans arasındaki hibrit dolanıklığı kullanıyor.

Bu, gürültünün protokol üzerindeki etkisini büyük ölçüde değiştiriyor. Keşif, aslında \”gürültünün rolünü zararlı olmaktan teleportasyon için faydalı olmaya tersine çeviriyor,\” diye belirtti Piilo.

Geleneksel olarak, teleportasyon protokolü sadece kubit dolanıklığı sırasında gürültü olduğunda değil, aynı zamanda hibrit dolanıklık başlangıçta gürültüsüz olduğunda da çalışmaz. Buna karşılık, hibrit dolanıklık mevcutken sonradan gürültü eklendiğinde, teleportasyon ve kuantum durum aktarımı neredeyse mükemmel gerçekleşir.

Bu şekilde, en son keşif, foton kullanımına bağlı gürültüye rağmen neredeyse ideal bir teleportasyon sağlar.

Araştırmacılar, bu çalışmayı \”önemli bir prensip kanıtı deneyi\” olarak adlandırıyor, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (Hefei) Dr. Zhao‑Di Liu şunları belirtiyor:

“Laboratuvarımızda fotonlarla kuantum fiziğinin farklı yönleri üzerine sayısız deney yaptık, bu çok zorlu teleportasyon deneyinin başarılı bir şekilde tamamlanmasını görmek çok heyecan verici ve ödüllendiriciydi.”

Çalışma, decoherence ile mücadele etmenin yanı sıra hibrit dolanıklığın başka bir güvenlik katmanı sağladığını da belirtti. Çalışma şunları ifade etti:

“Teleporte edilen bilginin ne kadar derin bir şekilde gizlenebileceğini araştırmak gelecekte ilginç bir araştırma konusu olacaktır.”

Bu sadece bir başlangıç; çalışma, bu araştırmayı temel alarak kuantum protokollerinde gelecekteki çalışmalara yeni yollar açmada temel bir öneme sahip. Tekniğin uygulanabileceği bir yol, kuantum teleportasyonu dışındaki durum transferi ve decoherence‑free alt alanların ötesinde kullanılmasıdır.

Araştırma ayrıca decoherence’ın diğer fiziksel platformlarda, farklı gürültü kaynakları dahil olmak üzere, tersine çevrilebilip çevrilemeyeceği olasılığını da ortaya koyuyor.

Kuantum bilişimin mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için buraya tıklayın.

Geleneksel Silikon Transistöründe İki Kuantum Kapısı Gerçekleştirilmesi

Diğer çalışma, İsviçre’nin en eski üniversitesi Basel Üniversitesi araştırmacıları tarafından, Ulusal Araştırma Yetkinlik Merkezi (NCCR) SPIN ile iş birliği içinde yürütülmüş ve geleneksel bir silikon transistöründe iki delik spin kubiti arasında kontrol edilebilir bir etkileşim elde ederek bir atılım gerçekleştirmiştir.

Nature dergisinde yayınlanan ve Basel Üniversitesi’nden açık erişim finansmanı alan bu çalışma, yarı iletken spin kubitlerinin endüstriyel transistör teknolojisini kullanarak büyük ölçekli kuantum bilgisayarlar üretme potansiyeline sahip olduğunu belirtti.

Bir kuantum bilgisayarının hesaplama yapabilmesi için kubitleri manipüle eden ve birbirlerine bağlayan “kuantum kapılarına” (quantum gates) ihtiyaç duyar. En son çalışmadaki araştırmacılar, iki kubiti sadece bağlamakla kalmayıp, birinin spinini diğerinin spin durumuna bağlı olarak kontrollü bir şekilde ters çevirebildiler. Bu bağlanma, iki spin kubitinin değişim etkileşimine (exchange interaction) dayanır.

“Delik spinleri, hem hızlı hem de yüksek doğruluklu iki kuantum kapıları oluşturmamıza olanak tanır. Bu ilke artık daha fazla kubit çiftini bağlamayı da mümkün kılıyor.”

– Dr. Andreas Kuhlmann

Araştırmacılar, birkaç yıl önce mevcut bir elektronik cihazdaki delik spinlerinin kubit olarak yakalanıp kullanılabileceğini göstermişti. Şimdi Kuhlmann, Basel fizikçileri ekibini iki kubit arasında kontrol edilebilir bir etkileşim gerçekleştirme konusunda başarıya ulaştırdı.

Söz konusu kubitler, elektriksel olarak kontrol edilebilir olmaları ve yük ve gürültüyü ortadan kaldıran ‘sweet spot’lara sahip olmaları avantajına sahipken, iki kubit etkileşimini göstermek zorlu bir görev olmuştur.

Çalışmaya göre eksik bir faktör, güçlü spin‑orbit etkileşimi sırasında değişim bağlanmasının (exchange coupling) anlaşılmasıydı. Bunu ele almak için bilim insanları, silikon “FinFET” ya da fin alan etkili transistöründeki iki delik‑spin kubitini araştırdı. Spin‑orbit bağlanması, bir deliğin spin durumunun uzaydaki hareketiyle etkilenmesi anlamına gelir.

Bu nedenle, yarı iletken kuantum nokta (QD) spin kubitleri, büyük ölçekli kuantum devrelerinin gelecekteki uygulamaları için en uygun olarak görülüyor. Ancak, şu anda en gelişmiş spin‑tabanlı kuantum işlemci, silikon (Si) içinde altı elektron spin kubitinin evrensel kontrolüne izin veriyor. Bunu yakından izleyen, germanyumda deliklerle yapılan dört kubitli bir gösterimdir.

Çalışmada, araştırmacılar bir elektron ya da delik spinini kullanan bir kubit kullandı. Hem elektronlar hem de delikler spin yapar ve yukarı ya da aşağı durumunu benimser.

Delik spinleri, elektron spinlerine kıyasla, yörüngesel dejenerasyon veya çip üzeri mikromıknatıslar gibi ek bileşenlere ihtiyaç duymadan tamamen elektriksel olarak kontrol edilebilir; bu da denkleme karmaşıklık katmaz. Bu, onların içsel spin‑orbit etkileşimlerinden (SOI) kaynaklanır. Delikler ayrıca azaltılmış hiperince etkileşim ve bir vadi (valley) eksikliği sayesinde fayda sağlar.

Bu bağlamda, çalışma, değişim etkileşimini elektriksel olarak kontrol etme ve 24 ns içinde koşullu bir spin‑ters çevirme yeteneğini gösteriyor. Değişim Hamiltonyen’i artık Heisenberg formunda değil ve hızdan doğruluktan ödün vermeden iki kuantum kontrollü rotasyon kapılarını mümkün kılacak şekilde tasarlanabilir. Araştırmaya göre:

“Bu ideal davranış, manyetik alan yönelimlerinin geniş bir yelpazesinde geçerlidir ve kavramı kubitten kubite değişikliklere karşı dayanıklı kılar; bu da büyük ölçekli bir kuantum bilgisayar gerçekleştirmek için uygun bir yaklaşım olduğunu gösterir.”

Bu çalışma, yalnızca bir çip üzerinde milyonlarca delik spin kubitinin düzenlenebilme potansiyelini gösteriyor. Yaklaşımı, büyük ölçekli bir kuantum bilgisayarın geliştirilmesi için büyük bir olasılık da sunuyor.

Gelecekte cihaz üretimindeki iyileştirmeler, değişkenliği azaltmak için gereklidir. Sağlam kontrollü rotasyon (CROT) sweet spot’larıyla birleştirildiğinde, bu gelişmeler “anisotropik değişimle iki kuantum kapı işlemlerini büyük ölçekli kubit dizileri için son derece çekici hale getirecek”.

Araştırma ilerlemeleri, hızlı okuma ve 1 K üzerindeki çalışma ile birleştirildiğinde, FinFET’in klasik kontrol elektroniğinde kullanılan bir çip üzerinde evrensel bir kuantum işlemci olarak kullanılmasını sağlayabilir.

Kuantum Bilgisayarların Geliştirilmesinde Yer Alan Şirketler

Şimdi, kuantum bilgisayarlar üzerinde aktif olarak çalışan şirketlere bir göz atalım:

#1. IBM

IBM, yıllardır kuantum bilişim araştırmalarına öncülük ediyor ve ilk devre tabanlı ticari kuantum bilgisayar olan IBM Q System One’ı geliştirdi. Şirket, kuantum sistemlerine erişimi IBM Quantum Experience platformu aracılığıyla sağlıyor.

Bu ayın başında IBM, 1.000’den fazla kubitli kuantum işlemcisi Condor ve 133 kubitli utility‑scale işlemcisi IBM Quantum Heron’u tanıttı. Ayrıca modüler bir kuantum bilgisayar olan Quantum System Two’nun lansmanını duyurdu. Bu arada, Qiskit yazılım yığını sayesinde IBM, kuantum bilişimin geliştirilmesini geniş çapta erişilebilir kılmayı hedefliyor.

Bu yıl, Japon ulusal araştırma laboratuvarı RIKEN, IBM’in kuantum işlemcisi ve kuantum bilgisayar mimarisini süper bilgisayar Fugaku ile entegrasyon için kullanacağını duyurdu.

Şirketin son araştırması ise şu konuları içeriyor:

• Yüksek eşik ve düşük ek yüklü hata toleranslı kuantum bellek.
• Kırılma noktasının ötesinde bir doğrulukla sihirli durum kodlaması.
• Bulut tabanlı süperiletken kuantum bilgisayarlarda büyük ölçekli kuantum spin zincirlerinin simülasyonu.

Yazı yazıldığı sırada, şirket hisseleri $167.36 seviyesinde, YTD %2.33 artışla işlem görüyor ve piyasa değeri $153.73 milyar. IBM, $62.07 milyar (TTM) gelir, 9.19 (TTM) EPS ve 18.22 (TTM) P/E bildirdi. Temettü getirisi %3.99.

Son Q1 2024 finansal raporlamasında, IBM, çeyrek içinde gelirinin %1.5 yıllık artışla $14.5 milyara ve serbest nakit akışının $1.9 milyara yükseldiğini gördü. Şirket, “sağlam gelir ve serbest nakit akışı büyümesinin” bulut ve AI stratejisinin gücünü yansıttığını belirtiyor.

#2. Google 

Kuantum bilişim dünyasında Google, hem donanım hem de yazılım üzerinde çalışan Quantum AI laboratuvarıyla ilerlemeler kaydediyor. Birkaç yıl önce, bölüm 53 kubitli bir kuantum işlemcisi olan Sycamore’u piyasaya sürdü. Şu anda, teknoloji devinin donanımı süperiletken kubitlere odaklanırken, gelişmiş yazılım yığını kuantum bilişimin gücünü araştırıyor.

Birkaç ay önce, Google, kuantum bilişim için gerçek dünya kullanım senaryolarını bulmak amacıyla 5 milyon dolar ödüllü çok yıllı bir küresel yarışma başlattı; ödül finalistler arasında bölüştürülecek. Google, Mart ayında şu ifadeyi kullandı:

“Kuantum bilişimin potansiyeli konusunda iyimser olmamız için birçok neden olsa da, bu teknolojinin ne zaman, nasıl ve hangi gerçek dünya problemlerinde en dönüştürücü olacağını tam olarak bilmiyoruz.”

Şirketin bu alandaki son araştırmaları, bir yüzey kodu mantıksal kubitini ölçeklendirerek kuantum hatalarını bastırmayı, rastgele devre örneklemesinde faz geçişini ve gürültülü bir kuantum işlemcide ölçüm kaynaklı dolanıklık ve teleportasyonu içeriyor.

Yazı yazıldığı sırada, şirket hisseleri $107.48 seviyesinde, YTD %21.94 artışla işlem görüyor ve piyasa değeri $2.12 trilyon. Google, $218.14 milyar (TTM) gelir, 6.52 (TTM) EPS ve 26/13 (TTM) P/E bildirdi. %0.47 temettü getirisi ödüyor.

1Q24 kazanç raporunda, şirket gelirinin %13 artarak $86.3 milyara, net gelirin $20.28 milyara yükseldiğini ve hisse başına ilk kez $20 temettü dağıtıldığını bildirdi. 2024 baharında, piyasa değeri $2 trilyon yeni bir kilometre taşına ulaşarak, dünyadaki dördüncü en değerli halka açık şirket oldu.

Sonuç

Fonksiyonel bir kuantum bilgisayar inşa etme yarışı var ve araştırmacılar kubitleri anlamaya ve farklı kubit teknolojileriyle çalışmaya odaklanıyor. Kuantum bilgisayarın temeli, tüm işlem, aktarım ve veri depolamayı yöneten kubitlerdir. Bu nedenle, burada ele alınan son iki kubit de dahil olmak üzere, tüm araştırmalar kubitler etrafında gerçekleşiyor ve bunlar pratik bir kuantum bilgisayarın inşasına yardımcı olmayı amaçlıyor.

En iyi beş kuantum bilişim şirketinin listesi için buraya tıklayın.